能动变形反射镜波面误差特性分析及实验研究

对能动变形反射镜波面误差进行了理论分析和实验研究.在对能动变形反射镜波面误差进行理论分析和实验研究的基础上,利用有限元对37单元能动变形反射镜低频象差补偿能力进行了相关的分析和计算,结合相关实验确定了能动变形反射镜的主要参数,成功研制出了曲率半径1926 mm、口径300 mm的37单元球面能动变形反射镜.经实验测定校正误差前、后镜面面形的PV值(波前峰谷差值)和RMS值分别为:0.545γ、0.08γ及0.239γ、0.031γ,从实测结果口I以看到取得了明显的校正效果.并且在研制过程中对镜面加工、驱动器极头粘接等技术和工艺问题进行了有效地探索和研究,从而为能动变形反射镜进一步的研制工作奠定了良好的基础.     

低频位相误差新校正方法模拟研究

 就多程放大系统中产生的低频位相噪声，提出用位相补偿反射镜来进行补偿的静态校正方法。用随机位相屏模拟光学元件产生的低频位相噪声，建立光传输模拟模型，引入等效位相片的概念，将数个光学元件对位相的影响简化为等效位相片，在此基础上对位相补偿反射镜的校正原理进行阐述。进而对双程光路校正过程进行了模拟研究，得到了很好的校正效果。     

基于波像差函数建立大口径施密特校正板方程

施密特光学系统由施密特校正板和球面反射镜组成,校正板设置在球面反射镜的球心处,系统的焦点不一定和反射镜的焦点重合。为了得到精确的校正板面形初始结构参数,基于波像差函数建立了带有离焦量的大口径施密特校正板的数学模型,同时校正了系统的三级和五级球差。利用光学设计软件对校正板口径为1000mm、主镜的曲率半径为2000mm、F数为1的系统进行了设计和分析,来验证校正板面形数学模型的正确性。结果显示此校正板的数学模型与优化后结果吻合得较好,校正板面形初始结构参数的精度得到了极大的提高,这为大口径、大相对孔径的施密特光学系统的设计提供了理论基础。     

碳化硅凸非球面反射镜的加工与检测

为了满足凸非球面反射镜加工中的全频段质量控制及光学参数的高精度检验,提出了应用双摆轴极坐标快速非球面加工技术及测杆法控制Hindle法检测光学参数。首先,描述了双摆轴极坐标快速非球面加工技术及设备;然后,介绍了应用测杆法控制Hindle检测法中标准球面镜顶点分别与被检非球面镜顶点及其焦点的光学间隔,并对其控制精度进行了分析;最后,针对Φ158mm的凸非球面,给出了双摆轴加工的检验结果,并对检测精度进行了分析。实验结果表明：应用双摆轴加工工艺在使低频误差快速收敛的同时,可以有效抑制中频误差,其低频误差的控制精度可以稳定地达到λ/30（λ=633 nm）;应用测杆装调Hindle检测光路的控制极限误差为±0.065 mm,两个光学间隔参数的公差分别为±0.22 mm和±0.30 mm。应用双摆轴加工技术实现了凸非球面的快速加工与全频段质量控制,采用Hindle检测凸非球面得到面形精度为0.022λ（RMS,@633 nm）,满足光学设计技术指标要求。     

主动光学技术在制造标准大反射镜中的应用

介绍了利用主动光学技术校正大型标准反射镜残余面形误差和重力变形的方法 ,研制了用于施加局部作用力的工具———机械式作动器的结构与性能 ,作用力的测定方法 ;位于不同位置的作用力引起的镜面变形量的测定与分析 ,与镜面最小面形误差对应的作动器作用力控制矩阵的求解等。对一块Φ2 30mm、中心厚 18mm、R880mm、玻璃材料为K 9的标准球面镜进行了面形误差校正实验 ,取得了较明显的校正效果。     

基于成像清晰度函数的非球面反射镜位置校正实验研究

在具有双曲面、抛物面或椭圆面反射镜的成像光学系统中,反射镜的位置误差通常具有对成像质量影响灵敏的特点.因此,在该类光学系统装调或工作过程中反射镜位置存在误差时需要对该反射镜进行精确调整.目前,反射镜位置校正的方法多基于对系统波前误差的测量,从而判断其位置误差.然而在系统工作过程中可能无法进行光学系统的波前测量,或者需要复杂的光学系统才能实现波前误差的测量.本文以焦平面图像清晰度作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法对反射镜位置进行调整,使系统成像质量达到最佳.针对迭代过程中反射镜位置发生变化时图像偏离探测器靶面而无法探测的问题,本文采用了一种反射镜垂直光轴平移和旋转相结合的调整方法.在保证图像位置不变化的条件下对系统像差进行校正.室内实验验证了该方法具有可行性,校正后的成像质量达到衍射极限.     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7μrad,优于工程指标0.1μrad。为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9μrad。此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。     

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明：在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。     

激光束低频位相误差叠加规律研究

 用随机位相屏模拟光学元件产生的低频位相误差，并用RMS位相梯度对低频位相误差进行统计量化，通过对激光束传输过程进行模拟，对低频位相误差的叠加规律有了新发现，并对位相误差叠加规律进行了修改，为位相校正提供了理论上的依据；通过对光束聚焦过程进行研究，得到了低频位相误差影响光束焦斑尺寸的初步规律；并在此基础上提出了一种光束质量控制的新方法。     

薄镜面面形主动校正技术研究

采用12个主动支撑点对口径400 mm薄实验镜进行面形主动校正,使用Zygo干涉仪测量面形误差,主动支撑点的力促动器由位移促动器和力传感器组成。分别测量单个促动器的响应函数,由各促动器的响应函数组成刚度矩阵,然后用阻尼最小二乘法计算各支撑点的校正力。实验中分析主动支撑结构对各项Zernike形式像差的校正能力,并选择了7项像差进行校正。经过5次校正,使初始状态下1.16λ(λ=0.632 8μm)RMS面形精度达到0.13 RMS,接近镜面抛光后的精度。     

硫系玻璃在无热化长波红外广角镜头中的应用

设计了一种工作波段为8~12μm、有效焦距为5mm、F数为2、视场角为110°的无热化长波红外广角镜头.根据红外无热化光学设计的基本原理,用了常规红外材料硫化锌、硒化锌和硫系玻璃材料制备的六片镜片,通过合理地分配各个镜片的光焦度以及相互间空气间隔等参量,在全视场角为110°的范围内实现接近衍射极限的成像效果.为了更好地控制系统像差,设计利用了硫系玻璃易于精密模压制备非球面的优点,在两片硫系玻璃镜片上设计了3处非球面.设计结果显示:系统在-40℃~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外成像,光学调制函数全视场内均大于0.4,同时在110°视场角时畸变控制在5%以下;实现了在较大视场角条件下控制红外广角镜头的畸变以及系统无热化等设计要求.该系统体积紧凑、质量较轻,整体设计符合民用红外车载镜头的使用要求.     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。     

Adaptive-optics ultrahigh-resolution optical coherence tomography

Merging of ultrahigh-resolution optical coherence tomography (UHR OCT) and adaptive optics (AO), resulting in high axial (3 microm) and improved transverse resolution (5-10 microm) is demonstrated for the first time to our knowledge in in vivo retinal imaging. A compact (300 mm x 300 mm) closed-loop AO system, based on a real-time Hartmann-Shack wave-front sensor operating at 30 Hz and a 37-actuator membrane deformable mirror, is interfaced to an UHR OCT system, based on a commercial OCT instrument, employing a compact Ti:sapphire laser with 130-nm bandwidth. Closed-loop correction of both ocular and system aberrations results in a residual uncorrected wave-front rms of 0.1 microm for a 3.68-mm pupil diameter. When this level of correction is achieved, OCT images are obtained under a static mirror configuration. By use of AO, an improvement of the transverse resolution of two to three times, compared with UHR OCT systems used so far, is obtained. A significant signal-to-noise ratio improvement of up to 9 dB in corrected compared with uncorrected OCT tomograms is also achieved.     

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

人眼的高级像差对视功能的影响

准确测量和分析人眼的高级像差有助于更好地改善视觉,具有重要的实验和临床意义。测量了实际人眼的波前像差,分析了高级像差对人眼视功能的影响。像差数据由哈特曼-夏克（Hartmann-Shack）波前传感器分别对不同瞳孔的人眼进行测量而获得,视功能的评价方法采用了调制传递函数（MTF）、对比敏感度函数（CSF）、斯特雷尔（Strehl）比率。由人眼的波前像差数据和视网膜空间像调制度（AIM）曲线直接给出了视锐度值与对比敏感度值。矫正了离焦与像散后．被测者的平均视锐度值达到了1．0,对比敏感度在低频（20c／mm）处约为52,高频（80c／mm）处约为1;矫正了前4阶像差后,平均视锐度值可提高到1．2,对比敏感度在低频（20c／mm）处提高到96,高频（80c／mm）处提高到7。实际人眼各不相同,达到理想成像需矫正高级像差的阶数也不同。矫正了前九阶像差后,均可达到理想成像,斯特雷尔比率值大于0．8。     

新型光谱可调定标光源系统准直物镜设计

高精度光谱可调定标光源系统是针对高光谱遥感器的高精度定标提出的一种新型参考光源,设计了一个折射式宽谱段大相对孔径的准直物镜。镜头工作在400 nm~1 000 nm波段,半视场角2.2、相对孔径F/2.8、焦距135 mm。利用部分色散（P）和阿贝数（）的修正公式,基于复消像差的基本原理,获得了镜头的初始结构。借助Zemax光学设计软件进行优化设计,点校正了系统的二级光谱。最后,在设计波段上实现了复消色差,二级光谱残余量约为0.04 mm,其他像差也得到了良好的平衡。镜头的MTFs在37 lp/mm空间频率处均大于0.8,镜头整体性能满足设计指标。     

主客观相结合眼波面像差分析系统

利用Hartmann-Shack波面传感器对眼出瞳位置的波面像差进行测量,根据所测像差控制可变形镜对像差进行实时补偿.眼像差以Zernike多项式表示,通过对可变形镜的精确控制,可在光路中生成特定模式和幅值的像差.因此,被测者根据视觉的主观感觉,调节视标像差,直至获得最满意的视觉效果.该系统采用移动三棱镜和柱镜的方法对离焦和散光进行预补偿,弥补了波面传感器测量范围和可变形镜矫正范围受限制的缺点.该系统把快速、客观的测量及补偿和主观调整相结合,更加符合人眼工作的特性,可用于在人眼像差与视觉分辩的基础和临床研究.